Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
céng hoµ x∙ héi chñ nghÜa viÖt nam
Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
§éc lËp – Tù do – H¹nh phóc
..........................................
..........................................
NhiÖm vô ®å ¸n tèt nghiÖp
Hä vµ tªn sinh viªn:
L−u V¨n HiÖu
Hä vµ tªn sinh viªn:
L−¬ng V¨n H−ng Sè hiÖu sinh viªn: 20001464
Kho¸: 45
Khoa: C¬ khÝ
Sè hiÖu sinh viªn: 20001137
Ngµnh: C«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y
1. §Ò tµi:
“ øng dông c«ng cô Simmechanics m« pháng hÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc”
2. C¸c tµi liÖu:
- C¸c tµi liÖu vÒ phÇn mÒn matlab, c«ng cô Simulink, c«ng cô
Simmechanics
- C¸c tµi liÖu vÒ lý thuyÕt ®iÒu khiÓn
3. Néi dung c¸c phÇn thuyÕt minh vµ tÝnh to¸n:
- Giíi thiÖu chung vÒ Matlab, Simulink & Simmechanics
- Giíi thiÖu chung vÒ cÇn trôc
- Giíi thiÖu vÒ bé ®iÒu khiÓn PID
- M« pháng c¬ cÊu ®éng häc cña cÇn trôc trªn Matlab
- ThiÕt kÕ & m« pháng hÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc trªn Matlab
- KÕt qu¶ cña ®å ¸n
4. Hä vµ tªn c¸n bé h−íng dÉn:
ThS. §µo B¸ Phong
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
1
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
5. Ngµy giao nhiÖm vô ®å ¸n:........................................................................
7. Ngµy hoµn thµnh ®å ¸n:............................................................................
Ngµy ..... th¸ng ..... n¨m ..........
Chñ nhiÖm Bé m«n
C¸n bé h−íng dÉn
Sinh viªn ®· hoµn thµnh vµ nép ®å ¸n tèt nghiÖp, ngµy.....th¸ng.....n¨m........
Ng−êi duyÖt
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
2
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi.
----------------------------
B¶n nhËn xÐt ®å ¸n tèt nghiÖp
Hä vµ tªn sinh viªn: L−u V¨n HiÖu
Sè hiÖu sinh viªn: 20001137
Hä vµ tªn sinh viªn: L−¬ng V¨n H−ng
Sè hiÖu sinh viªn: 20001464
Ngµnh: C«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y
Kho¸: 45
C¸n bé h−íng dÇn: ThS. §µo B¸ Phong
C¸n bé duyÖt:
NhËn xÐt cña gi¸o viªn h−íng dÉn:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
3
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
..............................................................................................................
Ngµy.......th¸ng.......n¨m...........
Ng−êi h−íng dÉn
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
4
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi.
----------------------------
B¶n nhËn xÐt ®å ¸n tèt nghiÖp
Hä vµ tªn sinh viªn: L−u V¨n HiÖu
Sè hiÖu sinh viªn: 2000
Hä vµ tªn sinh viªn: L−¬ng V¨n H−ng
Sè hiÖu sinh viªn: 20001464
Ngµnh: C«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y
Kho¸: 45
C¸n bé h−íng dÇn: ThS. §µo B¸ Phong
C¸n bé duyÖt:
NhËn xÐt cña gi¸o viªn duyÖt:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
5
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
Lêi nãi ®Çu
C«ng nghÖ m« pháng ®ang dÇn chiÕm mét vÞ trÝ quan träng trong qu¸ tr×nh
s¶n xuÊt. Bëi v× sau qu¸ tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ chóng ta rÊt mong ®îi mét c¸ch
nµo ®ã xem hÖ thèng ho¹t ®éng cã ®óng nh− mong ®îi kh«ng, tr¸nh viÖc ®i vµo
s¶n xuÊt lu«n mµ ch¼ng may gÆp nçi thiÕt kÕ, tÝnh to¸n nµo ®ã g©y l·ng phÝ lín
c¶ vÒ vËt chÊt lÉn thêi gian. V× vËy cïng víi qu¸ tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ kÕt hîp
víi c«ng cô m« pháng chóng ta cã thÓ m« pháng lu«n hÖ thèng ®Ó kh¶o s¸t hÖ
thèng, xem hÖ thèng ho¹t ®éng nh− thÕ nµo … ®· ®óng nh− mong ®îi ch−a. Qua
®ã cã thÓ rót ng¾n thêi gian vµ gi¶m chi phÝ nghiªn cøu – ph¸t triÓn s¶n phÈm
mét c¸ch ®¸ng kÓ. §iÒu nµy ®Æc biÖt cã ý nghÜa khi s¶n phÈm lµ c¸c hÖ thèng
thiÕt bÞ kü thuËt phøc hîp víi gi¸ trÞ kinh tÕ cao.
Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ ®iÖn tö vµ tin häc C«ng nghÖ m« pháng
®ang ph¸t triÓn rÊt nhanh víi h−íng øng dông tin häc. NhiÒu n−íc tiªn tiÕn trªn
thÕ giíi ®· nghiªn cøu vµ cho ra ®êi nh÷ng phÇn mÒm m« pháng m¹nh víi dao
diÖn ®å ho¹ vµ kh¶ n¨ng ho¹t ®éng nh− thËt. Mét trong nh÷ng phÇn mÒm ®ã lµ
phÇn mÒm Matlab, mét c«ng cô m¹nh cho phÐp m« pháng vµ kh¶o s¸t ®èi t−îng,
hÖ thèng hay qu¸ tr×nh kü thuËt – vËt lý …vv.
B»ng c«ng cô Simulink vµ SimMechanics trong phÇn mÒm Matlab, víi sù
gióp ®ì tËn t×nh cña thÇy gi¸o §µo B¸ Phong chóng t«i, hai sinh viªn L−u V¨n
HiÖu vµ L−¬ng V¨n H−ng ®· tiÕn hµnh thiÕt kÕ m« pháng mét hÖ thèng ®iÒu
khiÓn cÇn trôc, mét c«ng cô thiÕt yÕu dïng trong x©y dùng vµ c«ng nghiÖp ®Ó di
chuyÓn vËt nÆng, hµng ho¸ vµ vËt liÖu. Trªn c¬ së m« h×nh to¸n cña cÇn trôc
quay, chóng t«i thiÕt kÕ hai bé ®iÒu khiÓn riªng bao gåm bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn
h−íng kÝnh vµ bé ®iÒu khiÓn quay. Bªn trong mçi bé ®iÒu khiÓn , cã hai bé ®iÒu
khiÓn PID ®−îc dïng _ bé ®iÒu khiÓn PID tù hiÖu chØnh cho ®óng chuyÓn ®éng
h−íng kÝnh vµ chuyÓn ®éng quay cña cÇn trôc, bé ®iÒu khiÓn PID lµm gi¶m dÇn
sù dao ®éng cña vËt nÆng ®Õn møc nhá nhÊt cã thÓ. Nh÷ng kÕt qu¶ m« pháng
cho thÊy r»ng ho¹t ®éng cña bé ®iÒu khiÓn lµ tèt.
Qua ®©y hai chóng t«i xin ®−îc bÇy tá lßng biÕt ¬n s©u x¾c ®Õn thÇy gi¸o
§µo B¸ Phong ng−êi ®· tËn t×nh h−íng dÉn hai chóng t«i trong suèt qu¸ tr×nh
lµm ®å ¸n. Còng xin ®−îc c¶m ¬n thÇy Hoµng VÜnh Sinh ®· cho chóng t«i
nhiÒu ý kiÕn quý b¸u gióp chóng t«i hoµn thµnh ®å ¸n nµy.
Do thêi gian cã h¹n còng nh− sù h¹n chÕ vÒ kiÕn thøc cña chóng t«i, h¼n
chóng t«i cßn nh÷ng thiÕu sãt rÊt mong nh÷ng gãp ý, nh÷ng lêi nhËn xÐt bæ sung
cña c¸c thÇy vµ c¸c b¹n sinh viªn.
Xin ch©n thµnh c¶m ¬n!
Hµ Néi, th¸ng 5 n¨m 2005
Hai sinh viªn:
L−u V¨n HiÖu
L−¬ng V¨n H−ng
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
7
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
Môc lôc
PhÇn1:
PhÇn mÒn matlab, c«ng cô simulink vµ khèi
simmechanics .............................................................................................. 10
1.1. PhÇn mÒn matlab, c«ng cô simulink...................................................... 10
1.2. c«ng cô simmechanics........................................................................... 10
1.2.1. Th− viÖn bodies............................................................................... 10
1.2.1.1. Khèi Body ................................................................................ 10
1.2.1.2. Khèi Ground ............................................................................ 17
1.2.2. Th− viÖn Constraints & Drivers ...................................................... 18
1.2.2.1. Khèi Angle driver .................................................................... 18
1.2.2.2. Khèi Distance driver ................................................................ 20
1.2.2.3. Khèi Linear driver ................................................................... 21
1.2.2.4. Khèi Velocity driver ................................................................ 22
1.2.2.5. Khèi Point- curve driver .......................................................... 24
1.2.2.6. Khèi Parallel constraint ........................................................... 26
1.2.2.7. Khèi Gear constraint................................................................ 27
1.2.3. Th− viÖn Joints:............................................................................... 29
1.2.3.1. Khèi Primastic ......................................................................... 29
1.2.3.2. Khèi Revolute .......................................................................... 33
1.2.3.3. Khèi Spherical.......................................................................... 34
1.2.3.4. Khèi Planar .............................................................................. 36
1.2.3.5. Khèi Univeral........................................................................... 37
1.2.3.6. Khèi Cylindrical ...................................................................... 39
1.2.3.7. Khèi Gimbal ............................................................................ 40
1.2.3.8. Khèi Custom joint.................................................................... 41
1.2.3.9. Khèi Weld................................................................................ 43
1.2.3.10. Khèi Telescoping..................................................................... 44
1.2.3.11. Khèi In-Plane........................................................................... 45
1.2.3.12. Khèi Bushing ........................................................................... 47
1.2.3.13. Khèi Bearing............................................................................ 48
1.2.3.14. Khèi SÜx-DoF........................................................................... 49
1.2.3.15. Khèi Screw .............................................................................. 50
1.2.4. Th− viÖn Sensor & Actuators.......................................................... 52
1.2.4.1. Khèi Body actuator .................................................................. 52
1.2.4.2. Khèi Joint actuator................................................................... 54
1.2.4.3. Khèi Driver Actuator ............................................................... 58
1.2.4.4. Khèi Body sensor..................................................................... 61
1.2.4.5. Khèi Joint sensor ..................................................................... 64
1.2.4.6. Khèi Constraint & driver sensor .............................................. 69
1.2.4.7. Khèi Joint Initial Condition Actuator ...................................... 72
1.2.4.8. Khèi Joint Stiction Actuator .................................................... 74
1.2.5. Th− viÖn Utilities ............................................................................ 76
1.2.5.1. Khèi Connection ports ............................................................. 76
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
8
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
PhÇn2:
øNg dông c«ng cô simmechanics m« pháng hÖ
®iÒu khiÓn cÇn trôc................................................................................. 78
2.1. Giíi thiÖu vÒ CÇn trôc............................................................................ 78
2.2. §Æt vÊn ®Ò .............................................................................................. 79
2.3. M« pháng hÖ thèng c¬ ®éng häc cña cÇn trôc quay víi c«ng cô
SimMechanics .................................................................................................. 80
2.3.1. C¸c gi¶ thiÕt khi m« pháng............................................................. 80
2.3.2. M« pháng hÖ thèng c¬ ®éng häc .................................................... 81
2.4. S¬ ®å hÖ thèng ®iÒu khiÓn ..................................................................... 88
2.4.1. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn ...................................................... 88
2.4.2. Chän bé ®iÒu khiÓn PID.................................................................. 89
2.4.2.1. Lý do chän bé ®iÒu khiÓn PID ................................................. 89
2.4.2.2. Giíi thiÖu vÒ bé ®iÒu khiÓn PID .............................................. 90
2.4.3. S¬ ®å c¸c bé ®iÒu khiÓn .................................................................. 92
2.4.3.1. S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh........................ 92
2.4.3.2. S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn quay................................................. 93
2.5. M« pháng hÖ thèng ®iÒu khiÓn víi c«ng cô Simulink........................... 94
2.5.1. M« pháng bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh ............................... 95
2.5.2. M« pháng bé ®iÒu khiÓn quay ........................................................ 96
2.6. GhÐp nèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn víi hÖ thèng c¬ ®éng häc ...................... 97
2.6.1. Khèi tÝnh to¸n th«ng sè ghÐp nèi ................................................... 97
2.6.2. GhÐp nèi hÖ ®iÒu khiÓn víi hÖ thèng c¬ ®éng häc ......................... 99
2.7. TÝnh to¸n bé ®iÒu khiÓn PID.................................................................. 99
2.7.1. §Þnh h−íng tÝnh to¸n c¸c th«ng sè bé ®iÒu khiÓn PID................... 99
2.7.2. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè PID cho bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh
100
2.7.3. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè PID cho bé ®iÒu khiÓn quay .................... 101
2.7.4. KiÓm tra vµ hiÖu chØnh c¸c th«ng sè PID trong tr−êng hîp c¸c bé
®iÒu khiÓn ®ång thêi ho¹t ®éng .................................................................. 102
2.8. M« pháng & ®¸nh gi¸ chÊt l−îng m« pháng....................................... 102
2.8.1. TiÕn hµnh m« pháng ..................................................................... 102
2.8.1.1. KÕt qu¶ m« pháng khi kh«ng cã hÖ ®iÒu khiÓn ..................... 103
2.8.1.2. KÕt qu¶ m« pháng khi cã hÖ ®iÒu khiÓn ................................ 103
2.9. h−íng ph¸t triÓn ................................................................................... 117
KÕt luËn .................................................................................................... 118
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
9
Bé m«n GCVL&DCCN
§å ¸n tèt nghiÖp
PhÇn1:
1.1.
PhÇn mÒn matlab, c«ng cô simulink vµ
khèi simmechanics
PhÇn mÒn matlab, c«ng cô simulink
MATLAB lµ mét bé ch−¬ng tr×nh phÇn mÒn lín ®−îc viÕt cho m¸y tÝnh PC
nh»m hç trî cho c¸c tÝnh to¸n khoa häc kÜ thuËt víi c¸c phÇn tö c¬ b¶n lµ c¸c ma
trËn. ThuËt ng÷ Matlab lµ ch÷ viÕt t¾t tõ hai tõ MATrix vµ LABoratory, thÓ hiÖn
®Þnh h−íng chÝnh cña ch−¬ng tr×nh lµ c¸c phÐp tÝnh vector vµ ma trËn. PhÇn cèt
lâi cña ch−¬ng tr×nh bao gåm c¸c hµm to¸n häc, c¸c chøc n¨ng xuÊt nhËp còng
nh− c¸c kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn ch−¬ng tr×nh.
MATLAB cung cÊp c¸c toolbox víi ph¹m vi chøc n¨ng chuyªn dông kh¸c
nhau. VÝ dô nh− : mét sè toolbox liªn quan tíi ®iÒu khiÓn( control system
toolbox, Optimzation toolbox...) ; c¸c toolbox liªn quan tíi lÜnh vùc ®iÖn, c¬
khÝ...
SIMULINK lµ mét c«ng cô cña MATLAB nh»m môc ®Ých m« h×nh ho¸, m«
pháng vµ kh¶o s¸t c¸c hÖ thèng ®éng häc. Giao diÖn ®å ho¹ trªn mµn h×nh cña
SIMULINK cho phÐp thÓ hiÖn hÖ thèng d−íi d¹ng s¬ ®å tÝn hiÖu víi c¸c khèi
chøc n¨ng quen thuéc. SIMULINK cung cÊp cho ng−êi sö dông mét th− viÖn rÊt
phong phó, cã s½n víi sè l−îng lín c¸c khèi chøc n¨ng cho c¸c hÖ tuyÕn tÝnh, phi
tuyÕn vµ gi¸n ®o¹n.
1.2.
c«ng cô simmechanics
SIMMECHANICS lµ mét c«ng cô cña Matlab cho phÐp ng−êi dïng m« h×nh
ho¸ ®−îc c¸c chi tiÕt c¬ khÝ, tõ ®ã x©y dùng ®−îc m« h×nh c¸c bé phËn m¸y, c¸c
m¸y c¬ khÝ.
SIMMECHANICS gåm cã c¸c th− viÖn vµ c¸c khèi sau:
1.2.1. Th− viÖn bodies
1.2.1.1.
Khèi Body
Môc ®Ých:
BiÓu diÔn mét vËt thÓ cøng tuú ý
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
10
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
M« t¶:
Khèi Body biÓu diÔn mét vËt thÓ cøng mµ thuéc tÝnh cña nã lµ tuú ý b¹n. Sù
miªu t¶, b¹n cÇn Ên ®Þnh bao gåm:
• Khèi l−îng cña vËt thÓ vµ tensor m«men qu¸n tÝnh
• To¹ ®é träng t©m cña vËt thÓ (CG)
• Mét sè hÖ to¹ ®é Body tuú ý (CSs)
Mét vËt thÓ cøng ®−îc x¸c ®Þnh trong kh«ng gian bëi vÞ trÝ träng t©m vµ
h−íng cña nã trong mét hÖ to¹ ®é nµo ®ã. ViÖc ®Æt nh÷ng ®iÒu kiÖn ban ®Çu
(Setting Body Initial Conditions) : VÞ trÝ vµ h−íng ban ®Çu cña vËt thÓ ®−îc cµi
®Æt bëi nh÷ng môc nhËp trong hép tho¹i Body cña nã. Nh÷ng ®iÒu kiÖn ban ®Çu
®ã gi÷ nguyªn kh«ng thay ®æi; trõ phi, b¹n nèi nã víi mét khèi t¹o ®iÒu kiÖn ban
®Çu cho khíp( Joint Initial Condition Actuator), b¹n thay ®æi ®iÒu kiÖn ban ®Çu
cña khíp ®· ®−îc nèi víi Body tr−íc khi b¾t ®Çu m« pháng, hoÆc b¹n kÝch ®éng
Body víi mét khèi Body Actuator.
Trong SimMechanics, b¹n nhËp vµo thuéc tÝnh cña Body qua hai líp, thuéc
tÝnh h×nh häc vµ thuéc tÝnh khèi l−îng:
• Thuéc tÝnh h×nh häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi hÖ to¹ ®é Body cña vËt.
° HÖ to¹ ®é Body cÇn ®Õn ë møc tèi thiÓu lµ hÖ to¹ ®é víi gèc cña nã
ë t¹i träng t©m. §iÓm träng t©m x¸c ®Þnh c¶ vÞ trÝ ban ®Çu cña toµn Body vµ lµ
gèc cña hÖ to¹ ®é träng t©m. B¹n còng ph¶i ®Æt h−íng cho nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é
träng t©m.
° B¹n cã thÓ ®Æt thªm mét sè hÖ to¹ ®é Body trªn Body. B¹n ph¶i ®Þnh
nghÜa mçi hÖ to¹ ®é Body bëi vÞ trÝ gèc cña nã vµ h−íng nh÷ng trôc to¹ ®é cña
nã.
° Mçi sù kÕt nèi cña mét khèi Joint, Constraint/ Driver, Actuator,
hoÆc Sensor víi mét Body cÇn ®Õn mét ®iÓm mÊu trªn Body. §iÓm mÊu nµy lµ
mét trong sè nh÷ng gèc hÖ to¹ ®é Body.
° HÖ to¹ ®é Body trªn khèi s½n sµng dïng cho viÖc nèi kÕt hiÖn lªn
trªn c¸c bªn cña khèi. B¹n cã thÓ cho hiÖn hay ©n
bëi cæng hÖ to¹ ®é Body
mçi hÖ to¹ ®é Body trªn c¸c phÝa cña khèi.
° TËp hîp nh÷ng gèc hÖ to¹ ®é Body x¸c ®Þnh vá låi cña Body, mét
trong sè nh÷ng h×nh biÓu t−îng xuÊt hiÖn biÓu diÔn mét Body trong kh«ng gian.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
11
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
• Thuéc tÝnh khèi l−îng ®−îc ®Þnh nghÜa bëi khèi l−îng cña Body vµ tensor
qu¸n tÝnh.
° Khèi l−îng lµ qu¸n tÝnh cña Body øng víi gia tèc dÞch chuyÓn cña
träng t©m b»ng 1 trong sù ph¶n øng víi mét lùc t¸c dông b»ng 1 ®¬n vÞ.
° Tensor qu¸n tÝnh thÓ hiÖn sù ph©n bè mËt ®é khèi l−îng trong Body
vµ ®iÒu khiÓn gia tèc quay cña Body xung quanh träng t©m b»ng sù ph¶n øng víi
mét m«men t¸c dông.
° Nh÷ng thµnh phÇn cña tensor qu¸n tÝnh ®iÒu khiÓn h−íng ban ®Çu
cña Body vµ lu«n lu«n ®−îc thÓ hiÖn nh− trong nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é träng t©m.
H−íng nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é träng t©m ®èi víi hÖ to¹ ®é kh¸c bªn ngoµi Body
(World CS, mét CS trªn mét Ground, hoÆc mét CS trªn mét Body kh¸c) sau ®ã
x¸c ®Þnh h−íng cña Body ®èi víi nh÷ng Body kh¸c hay ®èi víi World.
° Tensor qu¸n tÝnh cña Body ®Þnh nghÜa trôc chÝnh cña nã, m«men vµ
ellipsoid t−¬ng ®−¬ng cña nã, mét trong sè nh÷ng h×nh biÓu t−îng xuÊt hiÖn cho
sù biÓu diÔn mét Body trong kh«ng gian.
NgÇm ®Þnh tr¹ng th¸i ban ®Çu cña mét Body (Default Initial State of a Body)
Hai bé thuéc tÝnh ®ã x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ h−íng ban ®Çu cña Body:
• VÞ trÝ ban ®Çu cña Body ®−îc ®Æt bëi vÞ trÝ träng t©m cña nã.
• H−íng ban ®Çu ®−îc ®Æt bëi nh÷ng thµnh phÇn tensor qu¸n tÝnh cña nã
(trong hÖ to¹ ®é träng t©m) vµ h−íng cña nh÷ng trôc to¹ ®é träng t©m ®èi víi hÖ
to¹ ®é kh¸c trong m¸y.
§iÒu kiÖn ban ®Çu cña mét m¸y cã thÓ ®−îc thay ®æi víi khèi Joint Initial
Condition Actuator tr−íc khi b¾t ®Çu qu¸ tr×nh m« pháng. NÕu b¹n kh«ng thay
®æi tr¹ng th¸i ban ®Çu cña mét Body tr−íc khi m« pháng, SimMechanics ®Æt vÞ
trÝ/ h−íng ban ®Çu tíi nh÷ng môc hép tho¹i Body cña nã. SimMechanics còng
®Æt nh÷ng vËn tèc dµi/ gãc ban ®Çu cña Body lµ 0 trong tr−êng hîp nµy.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
12
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
Hép tho¹i vµ nh÷ng th«ng sè (Dialog Box and Parameters)
H×nh 1.2.1.1a: B¶ng th«ng sè ®Þnh nghÜa body
Hép tho¹i cã hai vïng ho¹t ®éng, Mass Properties vµ Body Cooordinate
Systems.
• Mass Properties
° Mass
NhËp vµo khèi l−îng cña Body trong vïng ®Çu tiªn vµ chän ®¬n vÞ trong
danh môc kÐo xuèng phÝa bªn ph¶i, sè thùc hoÆc biÓu thøc t−¬ng ®−¬ng trong
MATLAB. Gi¸ trÞ ngÇm ®Þnh lµ 1 vµ kg.
° Inertia tensor
NhËp vµo tensor qu¸n tÝnh (®èi víi nh÷ng trôc cña hÖ to¹ ®é träng t©m
Body) trong vïng ®Çu tiªn vµ chän ®¬n vÞ trong danh môc kÐo xuèng ë phÝa bªn
ph¶i. Tensor ph¶i lµ ma trËn sè thùc 3x3. Tensor ngÇm ®Þnh lµ ma trËn ®¬n vÞ
3x3. Mét tensor 0 zeros (3,3) ®Þnh nghÜa khèi l−îng ®iÓm. §¬n vÞ ngÇm ®Þnh lµ
kg-m2.
• Body Coordinate Systems (Nh÷ng hÖ to¹ ®é Body)
° Configuring a Body Coordinate System (®Þnh cÊu h×nh hÖ to¹ ®é
Body)
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
13
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
B¹n cµi ®Æt hÖ to¹ ®é Body trong vïng Body coordinate systems:
+ NgÇm ®Þnh viÖc ®Þnh cÊu h×nh gåm cã ba hÖ to¹ ®é Body: CÇn ®Õn hÖ
to¹ ®é träng t©m g¾n víi träng t©m cña Body vµ hai hÖ to¹ ®é Body tuú ý kh¸c,
®−îc gäi lµ CS1 vµ CS2, ®Ó kÕt nèi Joint, Constraint, hoÆc Driver.
+ B¹n cã thÓ ®Þnh cÊu h×nh hÖ to¹ ®é träng t©m nh−ng kh«ng thÓ xo¸ nã.
B¹n còng kh«ng thÓ thªm hÖ to¹ ®é träng t©m, mÆc dï b¹n cã thÓ sao l¹i hÖ to¹
®é träng t©m víi tªn kh¸c.
+ Nh÷ng hÖ to¹ ®é kh¸c cã thÓ ®−îc h×nh thµnh hoÆc xo¸ nh− ý muèn.
+ §Þnh h×nh hÖ to¹ ®é Body cÇn ®Õn hai nhãm b−íc:
- VÞ trÝ gèc hÖ to¹ ®é Body trong b¶ng Position
- §Þnh h−íng c¸c trôc hÖ to¹ ®é Body trong b¶ng Orientation.
+ §Þnh nghÜa hÖ to¹ ®é Body cÇn quy vµo mét sè c¸i kh¸c, hÖ to¹ ®é tån
t¹i tr−íc. Trong mét khèi Body, b¹n cã thÓ quy vµo hÖ to¹ ®é Body vµ Grounded
theo ba c¸ch. HÖ to¹ ®é liªn quan ph¶i lµ:
- World
- HÖ to¹ ®é Body kh¸c trªn cïng mét Body
- Adjoining CS, hÖ to¹ ®é trªn Body hµng xãm hoÆc Ground trùc tiÕp
nèi víi hÖ to¹ ®é Body ®−îc chän bëi mét Joint, Constraint, hoÆc Driver.
H×nh 1.2.1.1b: HÖ to¹ ®é cña body liªn quan
+ Lùa chän gi÷a b¶ng Position hoÆc Orientation víi nh÷ng th«ng sè trong
mçi b¶ng.
Mçi hÖ to¹ ®é Body ®−îc g¾n víi mét tªn, vÝ nh− CG cho hÖ to¹ ®é träng t©m,
vµ CS1, CS2, …, cho nh÷ng hÖ to¹ ®é thªm vµo.
• §Þnh cÊu h×nh cho b¶ng Position
Vïng Position cho mçi hÖ to¹ ®é Body x¸c ®Þnh vÞ trÝ gèc cña hÖ to¹ ®é nh−
mét vector tÞnh tiÕn.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
14
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
° Nh÷ng thµnh phÇn b»ng sè cña vector mang theo ®¬n vÞ.
° Gèc ®−îc dêi ®i tõ gèc cña mét c¸i kh¸c, hÖ to¹ ®é tån t¹i tr−íc
trong m¸y mãc cña b¹n bëi vector tÞnh tiÕn nµy.
° Nh÷ng thµnh phÇn cña vector tÞnh tiÕn ®−îc ®Þnh h−íng ®èi víi bé
trôc to¹ ®é kh¸c.
H×nh 1.2.1.1c: Th«ng sè x¸c ®Þnh c¸c hÖ to¹ ®é body
* Vector vÞ trÝ cña gèc to¹ ®é [x y z]( Origin posittion vector [x y z])
NhËp vµo vector tÞnh tiÕn x¸c ®Þnh vÞ trÝ gèc hÖ to¹ ®é Body mµ ta ®ang
®Þnh nghÜa.
* Units
Lùa chän ®¬n vÞ dµi cho vector tÞnh tiÕn. NgÇm ®Þnh lµ m.
* X¸c ®Þnh gèc hÖ to¹ ®é liªn quan tíi hÖ to¹ ®é ta ®ang ®Þnh nghÜa th«ng qua
vector tÞnh tiÕn ta ®· nhËp( Translated from the origin of)
Trong danh môc kÐo xuèng, cã c¸c sù lùa chän kh¸c, hÖ to¹ ®é tån t¹i
tr−íc trong m¸y mãc cña b¹n mµ x¸c ®Þnh ®iÓm b¾t ®Çu cho vector tÞnh tiÕn. Sù
lùa chän lµ World, Adjoining, vµ hÖ to¹ ®é Body kh¸c trªn Body nµy. ®iÓm cuèi
cña vector tÞnh tiÕn lµ gèc cña hÖ to¹ ®é body nµy.
* X¸c ®Þnh h−íng c¸c trôc cña hÖ to¹ ®é ta ®ang ®Þnh nghÜa th«ng qua vector
tÞnh tiÕn ®· nhËp( Components in the axes of)
Trong danh môc kÐo xuèng, chän hÖ to¹ ®é mµ nh÷ng trôc cña nã x¸c
®Þnh nh÷ng thµnh phÇn vector tÞnh tiÕn. Sù lùa chän lµ WORLD, ADJOINING,
vµ hÖ to¹ ®é Body kh¸c trªn Body nµy. Nh÷ng thµnh phÇn vector tÞnh tiÕn ®−îc
chiÕu lªn c¸c trôc cña to¹ ®é ®−îc chän trong cét nµy.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
15
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
• §Þnh cÊu h×nh cho vïng Orientation
Vïng Orientation cho mçi hÖ to¹ ®é Body x¸c ®Þnh h−íng cña bé ba trôc hÖ
to¹ ®é ®ã nh− mét nh− mét vector quay:
Vector h−íng x¸c ®Þnh vector quay cã ba thµnh phÇn
° Thµnh phÇn b»ng sè cña vector mang theo ®¬n vÞ cña nã.
° Sù quay ®−îc ®Þnh h−íng ®èi víi bé nh÷ng trôc to¹ ®é cña hÖ to¹ ®é
tån t¹i tr−íc trong m«h×nh m¸y cña b¹n.
° Nh÷ng thµnh phÇn vector h−íng ®−îc thÓ hiÖn trong sù qui −íc miªu
t¶ chuyÓn ®éng quay.
H×nh 1.2.1.1d: B¶ng th«ng sè x¸c ®Þnh h−íng cña body
* Orientation vector (Vector h−íng)
NhËp vµo nh÷ng thµnh phÇn cña vector quay mµ x¸c ®Þnh h−íng nh÷ng
trôc hÖ to¹ ®é Body. ý nghÜa h×nh häc cña nh÷ng thµnh phÇn ®ã ®−îc x¸c ®Þnh
bëi cét “Specified using convention”. Nh÷ng môc nhËp ®Æc biÖt ®èi víi hÖ to¹ ®é
träng t©m ®Þnh h−íng c¸c trôc hÖ to¹ ®é träng t©m. Cïng víi môc nhËp Inertia
tensor trong Mass properties, nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é träng t©m ®Þnh h−íng toµn bé
Body vÒ hÖ to¹ ®é kh¸c trong m¸y mãc cña b¹n.
* Units
Lùa chän ®¬n vÞ gãc cho sù quay, ®é hoÆc rad. NgÇm ®Þnh lµ ®é.
Relative to coordinate system
Trong danh môc kÐo xuèng, lùa chän hÖ to¹ ®é tån t¹i tr−íc trong m«
h×nh m¸y cña b¹n mµ ®Þnh nghÜa h−íng ban ®Çu cho chuyÓn ®éng quay. Sù lùa
chän lµ WORLD, ADJOINING, vµ nh÷ng hÖ to¹ ®é kh¸c trªn Body nµy.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
16
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
* Specified using convention
Trong danh môc kÐo xuèng, lùa chän kiÓu biÓu diÔn cho chuyÓn ®éng quay:
Rotation Conventions (Nh÷ng qui −íc quay)
Cã ba qui −íc chung miªu t¶ chuyÓn ®éng quay:
• Euler
Qui −íc gãc Euler Ên ®Þnh chuyÓn ®éng quay nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é Body bëi
sù quay xung quanh ba trôc theo thø tù. Nh÷ng thµnh phÇn cña vector cét 1x3 lµ
lÇn l−ît lµ gãc quay xung quanh trôc X, Y, Z b¨ng ®¬n vÞ ®é hoÆc rad.
VÝ dô nh−, Euler X-Y-Z cã nghÜa lµ quay xung quanh trôc X ®Çu tiªn, tiÕp
theo lµ xung quanh trôc Y, kÕ tiÕp lµ xung quanh trôc Z.
• 3-by-3 Transform (BiÕn ®æi ma trËn 3x3)
Qui −íc transform x¸c ®Þnh sù quay nh− mét ma trËn quay trùc giao kh«ng
thø nguyªn. Sù nghÞch ®¶o ma trËn trùc giao R lµ b»ng ma trËn chuyÓn vÞ: R1=RT. Cét cña R lµ nh÷ng vector ®¬n vÞ (x,y,z) theo nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é Body.
Danh môc nh÷ng ®¬n vÞ lµ kh«ng ho¹t ®éng.
• Quaternion
Qui luËt Quaternion x¸c ®Þnh sù quay d−íi h×nh thøc gãc trôc nh− mét vector
cét kh«ng thø nguyªn 1x4
[nx*sin( /2) ny*sin( /2) nz*sin( /2) cos( /2)]
n=(nx, ny, nz) lµ mét vector ba thµnh phÇn víi chiÒu dµi ®¬n vÞ:n*n = nx2 +
ny2 + nz2 = 1
Vector ®¬n vÞ n x¸c ®Þnh trôc quay. Gãc quay xung quanh trôc ®ã lµ θ vµ tu©n
theo quy t¾c bµn tay ph¶i.
1.2.1.2.
Khèi Ground
Môc ®Ých
BiÓu diÔn mét ®iÓm cè ®Þnh trªn nÒn/gi¸ ®ì, n¬i ®Æt gèc cña hÖ to¹ ®é World.
M« t¶
Mét khèi Ground biÓu diÔn mét ®iÓm cè ®Þnh trong hÖ to¹ ®é tuyÖt ®èi
World. G¾n khèi nµy vµo mét bªn cña khíp ®Ó ng¨n chÆn sù chuyÓn ®éng cña
bªn ®ã cña khíp. Nh− vËy th× khèi nµy t−¬ng øng víi mét ngµm.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
17
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
Ground n»m trong th− viÖn Bodies vµ nã chÝnh lµ mét body ®Æc biÖt. Nh−ng
chóng ta chØ cã thÓ nèi mét ®Çu cña nã víi mét khíp. C¸c khèi ground tù ®éng
lÊy hÖ to¹ ®é cã c¸c trôc song song víi hÖ täa ®éng World( g¾n t¹i mét trong c¸c
ground tr−íc ®ã) vµ gèc t¹i ground point.
BÊt k× mét m« h×nh Simmechanics nµo còng cÇn cã Ýt nhÊt mét ground
B¹n kh«ng thÓ nèi c¸c khèi c¶m biÕn còng nh− kÝch ®éng vµo ground bëi v×
chóng ®©u cã chuyÓn ®éng.
B¶ng th«ng sè
H×nh 1.2.1.2: B¶ng th«ng sè x¸c ®Þnh Ground
Th«ng sè cña ground chØ cã to¹ ®é gèc cña ground trong hÖ to¹ ®é World, ®ã
lµ mét vÐct¬ cã ba thµnh phÇn vµ ®¬n vÞ cña nã. Khi b¹n nhËp th«ng sè cho
ground lµ [0 0 0] th× ground ®ã chÝnh lµ t¹i gèc to¹ ®é Wrold.
1.2.2. Th− viÖn Constraints & Drivers
1.2.2.1.
Khèi Angle driver
Môc ®Ých
§Þnh râ gãc gi÷a hai vector trôc cña Body nh− mét hµm theo thêi gian
M« t¶
Khèi Angle Driver truyÒn dÉn ®éng c¸c vector trôc ®· ®−îc ®Þnh nghÜa trªn hai
Body. B¹n ®Þnh râ c¸c vector trôc cña “follower body” vµ “base body” cè ®Þnh aB, aF
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
18
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
trong hÖ to¹ ®é Body trªn mçi Body ë c¸c bªn cña “Angle Driver”, sau ®ã truyÒn dÉn
®éng gãc gi÷a nh÷ng vector trôc body nh− mét hµm cña thêi gian.
Khèi Angle Driver ®Þnh râ gãc θ ®−îc ®Þnh nghÜa bëi c«ng thøc
cos = |aB.aF|/(|aB|.|aF|)
nh− mét hµm cña thêi gian: = f(t) . B¹n liªn kÕt khèi Angle Driver víi mét khèi
Driver Actuator.
TÝn hiÖu vµo Simulink trong Driver Actuator x¸c ®Þnh hµm truyÒn phô thuéc thêi
gian f(t) vµ hai ®¹o hµm ®Çu cña nã còng nh− nh÷ng ®¬n vÞ cña nã. NÕu b¹n kh«ng
kÝch ®éng Angle Driver, khèi nµy ho¹t ®éng nh− mét sù c−ìng bøc thêi gian ®éc lËp
mµ lµm cè ®Þnh gãc gi÷a hai trôc Body ë t¹i gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã trong suèt qu¸
tr×nh m« pháng.
C¸c Driver h¹n chÕ bËc tù do t−¬ng ®èi gi÷a mét cÆp Body nh− hµm thêi gian
®Þnh ra. Mét c¸ch côc bé trong m¸y, ng−êi ta thay thÕ mét khíp nh− lµ sù diÔn ®¹t
bËc tù do. Mét c¸ch toµn diÖn, khèi Driver ph¶i xuÊt hiÖn trong nh÷ng vßng ®ãng.
Nh− nh÷ng Body ®−îc kÕt nèi víi khíp, hai Body ®−îc kÕt nèi víi Driver theo thø tù
nh− base vµ follower, Ên ®Þnh h−íng chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi.
B¹n còng cã thÓ nèi mét khèi Driver víi mét Constraint&Driver Sensor, mµ ®o
nh÷ng ph¶n lùc/m«men gi÷a nh÷ng Body truyÒn ®éng.
Hép tho¹i vµ nh÷ng th«ng sè (Dialog Box and Parameters)
H×nh 1.2.2.1: B¶ng th«ng sè cña khèi Angle Driver
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
19
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
C¸c th«ng sè cña khèi Angle Driver
• Fixed axis: cho Base Body vµ Follower Body, theo thø tù, nhËp vµo nh÷ng
vector trôc body. NgÇm ®Þnh lµ [1 0 0].
• Reference csys (hÖ to¹ ®é quy chiÕu): Sö dông danh môc kÐo xuèng, chän
hÖ to¹ ®é (World, base Body CS, hoÆc follower Body CS) mµ nh÷ng trôc to¹ ®é cña
chóng vµ nh÷ng vector trôc follower Body vµ base Body lµ cïng h−íng víi nhau. HÖ
to¹ ®é nµy còng x¸c ®Þnh ph¶n lùc/m«men mang ý nghÜa tuyÖt ®èi. NgÇm ®Þnh lµ
WORLD.
1.2.2.2.
Khèi Distance driver
Môc ®Ých
§Þnh râ kho¶ng c¸ch gi÷a hai gèc hÖ to¹ ®é Body nh− mét hµm theo thêi gian
M« t¶
Khèi Distance Driver truyÒn dÉn ®éng kho¶ng c¸ch gi÷a hai gèc cña hai hÖ
to¹ ®é Body nh− mét hµm thêi gian mµ b¹n ®Þnh râ. Hµm nµy ph¶i lu«n lu«n
®−îc gi÷ kh«ng ©m trong khi m« pháng.
Cho r1, r2 lµ nh÷ng vector vÞ trÝ gèc cña CS1 trªn mét Body vµ cña CS2 trªn
mét Body kh¸c. Distance Driver ®Þnh ra kho¶ng c¸ch v« h−íng |r1 - r2| gi÷a
nh÷ng ®iÓm ®ã nh− mét hµm thêi gian:
|r1 - r2| = f(t).
B¹n nèi khèi Distance Driver víi mét khèi Driver Actuator.
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
20
§å ¸n tèt nghiÖp
Bé m«n GCVL&DCCN
Hép tho¹i vµ nh÷ng th«ng sè (Dialog Box and Parameters)
H×nh 1.2.2.2: B¶ng th«ng sè cña khèi Distance Driver
Hép tho¹i cã mét vïng ho¹t ®éng, Connection parameters. Vïng nµy ho¹t
®éng mét c¸ch tù ®éng.
1.2.2.3.
Khèi Linear driver
Môc ®Ých
§Þnh râ mét thµnh phÇn vector nèi hai gèc hÖ to¹ ®é Body nh− mét hµm theo thêi
gian
M« t¶
Khèi Linear Driver ®Þnh râ mét thµnh phÇn cña vector nèi hai gèc hÖ to¹ ®é nh−
mét hµm cña thêi gian.
Cho r1, r2 lµ vector vÞ trÝ gèc cña CS1 trªn mét Body, CS2 trªn mét Body kh¸c, vµ
R=r1-r2. Khèi Linear Driver Ên ®Þnh mét thµnh phÇn cña vector R=(X,Y,Z) ®−îc
chiÕu trªn nh÷ng trôc hÖ to¹ ®é World, nh− mét hµm thêi gian:
X, Y, or Z = f(t).
B¹n nèi mét khèi Driver Actuator víi Linear Driver
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45
21
- Xem thêm -